TBM主機皮帶機螺旋托輥的安裝及受力分析

蔣志國，王柏松

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450016)

0 引言

TBM主機皮帶機布置在主梁內，主要由頭部驅動滾筒、尾部從動滾筒、皮帶架、上托輥、下托輥、皮帶、清掃器、渣斗等組成(如圖1所示)。

圖1 TBM主機皮帶機二維圖示Fig．1 2D picture of belt conveyor of TBM

作為帶式輸送機的主要部件，托輥均布在帶式輸送機皮帶下面，主要用來托起皮帶和承受載荷。緩沖、調偏、清掃皮帶也是其主要功能。因此，其質量和選用，對整條帶式輸送機的使用壽命、安全穩定運行及能源消耗起著重要作用。

目前國外TBM主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥的應用已經比較廣泛，在西秦嶺應用的羅賓斯TBM主機皮帶機采用的就是雙向螺旋橡膠托輥，但國內TBM主機皮帶機主要采用的是槽型三輥托輥，主要用來輸送散裝物料，而當前隧道內部輸送的物料多為黏濕物料;而三輥托輥容易黏輥，增大了運行中的阻力，并且容易跑偏。在以往的研究中，張瑞平等［1］對影響托輥設計中的關鍵因素作了列舉和分析;陳文海等［2］用Ansys對普通托輥進行了分析，得到了普通托輥在載荷作用下的應力和變形情況;劉文亮等［3］對連續皮帶機膠帶跑偏原因從力學方面作了詳細的分析。但以上研究都是以普通托輥作為研究對象，而對雙向螺旋橡膠托輥的研究甚少，鑒于其在運輸黏濕物料中的獨特優勢，有必要對其安裝和受力進行研究。

1 傳統的三托輥輥徑的選擇

1．1 傳統三托輥直徑與帶寬的關系

見表1。

表1 直徑與帶寬的對應關系Table 1 Relationship between roller diameter and belt width

1．2 直徑與帶速的關系

在確定帶寬的條件下，托輥輥子的轉速不能太大。在同樣壽命情況下，轉速大，使用時間就短，轉速小，使用時間就長。但輥子直徑不能太大，輥子直徑太大，整個輸送機不配套，固定投資也大。在帶式輸送機設計規范中規定:輥子的轉速不能超過600r/min。托輥直徑與輸送機帶速的關系如表2。

表2 直徑與帶速的對應關系Table 2 Relationship between roller diameter and belt speed

1．3 輥子載荷的計算

承載分支托輥靜載荷

式中:a0為承載分支托輥間距，m;e為輥子載荷系數;v為帶速，m/s;qu為單位輸送帶質量，kg/m;Im為輸送能力，kg/s。

承載分支托輥動載荷

式中:fs為運行系數;fd為沖擊系數;fa為工況系數。

傳統三托輥在確定了帶寬、帶速和載荷［4-5］的情況下，便可以根據帶式輸送機設計手冊［6］合理選取輥徑。

2 主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥的受力計算

2．1 螺旋橡膠托輥的等效載荷分析

雙向螺旋橡膠托輥由于結構與傳統三連輥托輥有著很大的不同，在運輸物料的過程中受力與傳統三連輥也有著很大的不同，其選取主要是如何確立托輥中鋼絲繩的直徑(如圖2所示)。

鋼絲繩是機械設備中常用的零件，鋼絲繩是一種撓性零件，具有強度高、自質量小、彈性好、運行平穩、適合于高速、遠距離、換向傳力以及極少突然破斷的優點［7］，也是主機皮帶機托輥中的重要零件之一;因此，有必要對其承載受力特性進行分析，以便更好地設計計算及維護使用。

圖2 雙向螺旋橡膠托輥Fig．2 Bidirectional spiral rubber roller

假設雙向螺旋橡膠托輥受均布載荷的作用，將其模型等效為三鉸拱［8］，如圖3所示。支座A，B處的豎向反力分別為 Fay，Fby，水平反力分別為 Fax，Fbx。

圖3 托輥等效模型Fig．3 Equivalent model of roller

選取截面C為研究對象，其與OA的夾角為φ，設其所受的彎矩、剪力、軸力分別以MC，FC，NC表示，微段ds=Rda，其上面的載荷為qds=qRda。

對截面C所產生的剪切力

對截面C所產生的軸拉力

支持力Fay對截面C所產生的彎矩

對截面C所產生的剪力

對截面C所產生的軸力

同理求得Fax對截面C所產生的彎矩、剪力和軸力分別為:

所以截面C所受的總彎矩、總剪切力、總軸力分別為:

由拱的整體平衡條件∑MB=0，得:

由D點的平衡條件∑MD=0，得

計算得:

將Fax=Fbx=qRcos(β/2)，Fay=Fby=qRsin(β/2)代入截面C得:

MC=qR2(1-cos φ)+qRcos(β/2)Rsin(φ/2)sin θqRsin(β/2)2Rsin(φ/2)cos θ;

FC=qRsin φ-qRcos(β/2)cos［(π -φ)/2+ θ］-qRsin(β/2)sin［(π -φ)/2+θ］;

NC=qRsin(β/2)cos［(π -φ)/2+θ］-qRcos(β/2)sin ［(π -φ)/2+θ］-qR(1-cos φ)。

由托輥槽角計算公式

在槭樹科植物栽培和利用上，我國擁有著豐富的資源和悠久的栽培歷史，但在相關研究及開發利用方面與歐美和日本還存在較大差距。隨著城市的發展，極具特色的鄉土彩葉樹種應用越來越迫切，槭樹科植物也越來越受重視。孟慶法等[3]、張璞等[4]分別對河南省槭樹科植物資源進行了調查研究，結果表明，河南野生槭樹在低海拔平原地區引種馴化、人工繁殖，以及城市綠化、美化應用是切實可行的。

式中:φ為托輥槽角，ρ為物料的推積角。

假設TBM主機皮帶機輸送物料為石灰石，皮帶運行速度為2．0m/s，由資料查得物料的運行堆積角ρ=25°，此時可求得φ=50°，所以β=2φ=100°。在實際應用中，雙向螺旋橡膠托輥的張角β=70°，槽角φ=35°。

由以上分析可知，最大彎矩、最大剪力和最大軸力是與θ和φ有關的量，只要確定了這2個量便可以對托輥中鋼絲繩直徑進行合理的選取;但是當前對雙向螺旋橡膠托輥受力研究較少，需引起重視。

2．2 主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥的安裝

主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥支架結構組成如圖4所示。

圖4 托輥支架Fig．4 Roller frame

雙向螺旋上托輥支架主要由旋轉芯軸、軸端擋圈、旋轉外套管、內套管、旋轉承壓板、旋轉施壓板、支架側板、限位擋圈、固定板和支撐座組成。

雙向螺旋橡膠上托輥支架可以手動轉動，調節螺旋托輥的位置，從而調整皮帶，具有很好的防跑偏功能［10］。

支架采用焊接式結構，加工和焊接方便，磨損件容易更換，節省時間和成本，托輥安裝如圖5所示。

圖5 托輥安裝圖Fig．5 Roller installation

2．3 主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥的使用要求

雙向螺旋橡膠托輥兩端為短軸，中間部分為鋼絲繩，在鋼絲繩外包裹具有一定旋向的橡膠。

雙向螺旋橡膠托輥使用要求:

2)把配套的托輥支架對應地安裝在輸送機的邊梁上。

3)把托輥的兩端軸殼放在支架的耳槽中，并保證托輥與機架上的水平角為一定的槽角或保證對應支架距離尺寸。

4)托輥運行時螺旋方向需一致。

5)每組托輥安裝距離可根據輸送物料的不同質量分數設計。

6)軸承部位設有黃油嘴，可根據實際情況進行注油潤滑。

7)輸送作業時的沖擊力不得超過托輥極限應力。

8)運輸及貯存中，禁防重壓和機械損傷及黃油嘴損壞。

2．4 主機皮帶機雙向螺旋橡膠托輥的優點

雙向螺旋橡膠托輥也稱螺旋橡膠托輥或橡膠托輥，屬于橡膠輸送帶輔助制動導向制品。獨特的產品結構使輸送帶在輸送黏濕物料的環境下，具有不粘輥、自潔力強、不粘帶的特點;該產品從根本上解決了帶式輸送機普遍存在的腐蝕、粘輥、膠帶跑偏和撕裂等嚴重問題。具有結構新穎、安裝維修方便、自定中心輸送平穩、不粘輥、噪音小、能耗低以及延長膠帶使用壽命等特點。具有較強的自動較正輸送帶偏帶的能力，同時最大限度地保護和避免了橡膠輸送帶的絞帶以及撕裂的可能性;同時最大限度延長了輸送帶壽命，節約了能耗，大大降低了生產成本，提高了經濟效益。

3 結論與討論

1)新的雙向螺旋橡膠托輥支架使托輥拆裝更方便，易于更換。

2)雙向螺旋橡膠托輥在皮帶機運輸物料的過程中受力跟三輥托輥有著很大的不同，受力比較復雜，如何選取合理的螺旋托輥目前還沒有明確的方式，值得進一步研究。

3)雙向螺旋橡膠托輥最大彎矩、最大剪力和最大軸力與φ和θ有關，只要確定了這2個量便可以對托輥中鋼絲繩直徑進行合理的選取。

4)當前雙向螺旋橡膠托輥的安裝槽角現在一般選取為30°，這是否為最合理的安裝角度還需要進一步研究。

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